基于轨枕结构的高速铁路飞砟防治措施探讨

井国庆 杜文博 付琪璋

1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2.中国铁路设计集团有限公司，天津300142；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043

传统的轨道结构形式主要包括有砟轨道和无砟轨道，均适用于高速铁路［1］。其中，有砟轨道因其造价低、灵活性高、维修方便得到广泛使用。法国高速铁路大部分采用有砟道床，最高运营速度已达320 km∕h，东部线最高测试速度达574.8 km∕h；英国HS2（High Speed 2）运营速度360 km∕h；德国也通过有砟道床实现最高速度超过310 km∕h。同时，非洲第一条高速铁路以及摩洛哥、土耳其等也开始应用有砟道床［2］。

有砟道床最严重的问题是道砟飞溅（飞砟）。飞砟现象分布广泛，危害大，直接影响有砟道床的发展［3-4］。我国的秦沈（秦皇岛—沈阳）客运专线曾在试车时发生飞砟现象；意大利的罗马—那不勒斯高速铁路也发生过飞砟现象。飞砟机理如图1所示。其中，绿色箭头表示道砟加速度方向，红色箭头表示轨枕振动。列车运行时，在列车风荷载和道床振动的共同作用下，道砟击打车体，遗留在钢轨表面，对车体、钢轨产生损伤，严重时甚至危及乘客安全，增加养护维修成本，给运营管理带来困难［1］。在严寒地区，速度较低的列车也会因为冰雪而出现飞砟现象［4-5］。飞砟主要受道砟粒径、密度、级配及列车车速、轨枕的形状和分布方式、道床断面形式等因素影响［6］。目前对飞砟现象的研究方法主要包括现场试验、风洞试验及流体力学模拟，但针对飞砟的防治措施不足以应对列车提速和复杂运营环境的要求，还须进一步研究。

图1 飞砟机理示意

国内外防治飞砟的措施主要包括使用聚氨酯道床、土工格栅等，均对道床养护维修工作有一定影响。通过优化轨枕结构进行飞砟防治是一种新思路。轨枕的结构、质量和分布情况影响飞砟产生的概率，若道砟遗留在轨枕表面，飞砟概率也会增加［1，6-7］。法国采用双块式轨枕，由于双块式轨枕采用角钢连接，道砟不容易遗留在轨枕中部表面，因此不容易飞砟；为降低飞砟概率，法国定期清扫轨枕表面道砟［8］，同时减少轨枕间距，使用宽轨枕。轨枕结构灵活多变，依托轨枕结构降低飞砟，更加经济合理。本文结合国内外研究成果，总结基于轨枕结构的飞砟防治措施，为飞砟防治提供参考。

1 空气动力学优化轨枕

对于新建有砟轨道高速铁路，列车速度一般为250 km∕h，会产生较大的列车风。试验表明，当列车速度达300 km∕h时，轨枕表面风速为25 m∕s；列车速度为350 km∕h时，轨枕表面风速将达30 m∕s［9］。强大的风力往往是诱发飞砟的主要原因。这就要求轨枕在满足动力结构稳定性的同时具有良好的空气动力特性，降低轨枕处由列车风产生的湍流效应，降低飞砟概率。

西班牙铁路管理局（Administrador de Infraestructuras Ferroviarias，ADIF）通过计算流体力学，考虑轨枕部位容易出现风压分布不均匀以及涡流现象，开发出一种空气动力学轨枕［6］，如图2所示。这种轨枕的顶部表面与侧面的过渡缓和圆顺，没有棱角，轨枕表面不易遗留道砟颗粒；道床表面与轨枕过渡平顺，降低了台阶空腔绕流效应。该轨枕可降低风压30%以上，减少50%飞砟发生概率。

图2 西班牙空气动力学轨枕

2 异形轨枕

道床表面至轨道顶面距离越远，道床表面风压越小；砟肩堆高的形状对风压分布也有影响［10］。因此，可采用降低砟肩堆高、降低枕心道砟高度（图3）的方法防治飞砟。

图3 降低枕心道砟高度

为减少飞砟，法国采用了平肩式砟肩结构；日本、意大利、法国降低了枕心道砟高度。我国TG∕GW 116—2013《高速铁路有砟轨道线路维修规则（试行）》［11］规定，当车速为250～300 km∕h时，砟肩堆高由150 mm减少至100 mm，并降低轨底处道床顶面高度。以上方法虽可减缓道砟的飞溅，但往往引起横向阻力的减小，例如砟肩堆高可提供超过40%的横向阻力［12］。横向阻力的减少会直接影响线路的稳定性和行车安全性。由于横向阻力受轨枕结构和道床特性的影响，因此，可采用改变轨枕结构的方式增加横向阻力。在保证横向阻力的前提下，采取前述飞砟防治措施，为飞砟防治提供新思路［13-14］。

2.1 框架型轨枕

道砟颗粒滑移错动、重新排列并与轨枕表面进行摩擦，产生横向阻力。轨枕底部、侧部、端部均是提供横向阻力的重要部位。因此，优化轨枕底部、侧部、端部外形，增大轨枕和道砟之间的作用范围，可增加横向阻力。框架型轨枕如图4所示。文献［15］测试了三种不同框架型轨枕的横向阻力，并与普通条形轨枕对比。结果表明在砟肩宽500 mm，砟肩堆高150 mm工况下，框架型轨枕最多可使横向阻力提高37.8%。

图4 框架型轨枕

2.2 摩擦型轨枕

与框架型轨枕类似，摩擦型轨枕通过在轨枕底部设置凸台、凹槽等增大轨枕与道砟颗粒间的摩擦、咬合，从而增大横向阻力。文献［16］设计了三种摩擦型轨枕，如图5所示，并测试横向阻力。结果表明，与普通条形轨枕相比，摩擦型轨枕最多可使横向阻力增加10%～20%。

图5 摩擦型轨枕

另外，还可选用双块式轨枕。由于双块式轨枕采用角钢连接两个混凝土块体，道砟不易遗留在轨枕中部，从而不易引起飞砟，且可以增加横向阻力。

上述轨枕均可用于高速铁路，且可在不影响捣固维修的前提下增加横向阻力，至少可降低砟肩堆高或者枕心道砟高度50 mm，有助于飞砟防治［6］。

3 弹性轨枕

道床振动加速度也是影响飞砟的重要因素。随着列车速度的增加，振动加速度增大，道砟更容易飞溅，危害性也更大［8］。桥梁上的道床下部刚度大，振动明显，更容易发生飞砟。在京沪高速铁路济南黄河特大桥上，列车车速达到330～350 km∕h时曾经发生过飞砟。同时，振动加速度增大，会导致道砟更容易留在轨枕表面。因此，可采用减少道床加速度的方法减少飞砟，例如增加轨枕质量、使用弹性轨枕等。

弹性轨枕是在轨枕底部设置弹性垫板，如图6所示。由法国在1989年取得专利，之后德国等欧洲国家开始提倡使用。弹性轨枕增加了轨枕与底部道砟的接触面积，使得轮轨传递荷载在纵向分布长度增加；弹性轨枕减振范围可达40 Hz，可减缓道床劣化和脏污［17］。采用弹性轨枕后，从整个轨道结构看，上部荷载传递给轨枕的能量增加，轨枕的振动加速度增大，从而减少了道床振动加速度，进而减少了飞砟。应用弹性轨枕时应注意：根据测试结果，弹性轨枕会使道床横向阻力减小；如果软的枕下垫与硬的轨下垫相结合，则轨枕容易开裂，硬的枕下垫与软的轨下垫搭配较为合理［17］。

图6 弹性轨枕

4 结论

通过改变轨枕结构可防治飞砟。与聚氨酯固化道床、土工格栅相比，改变轨枕结构不影响轨道结构的养护维修，为防治飞砟提出新思路。本文根据国内外飞砟研究情况，总结各种优化轨枕结构防治飞砟的方法。主要结论如下：

1）通过改变轨枕上表面结构，优化轨枕附近风压分布，能减少道砟遗留在轨枕表面的数目，进而减小飞砟概率。

2）通过轨枕底部纹理设计和结构优化，增加道床横向阻力，再通过降低砟肩堆高和枕心道砟高度的方式能防治飞砟。这样可以解决由于飞砟防治引起的轨枕横向阻力不足问题。

3）通过改变轨枕弹性如增加轨枕质量、使用弹性轨枕等，减小道床振动加速度，使道砟不易飞溅，也能减少飞砟危害性。